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1.1 引言1

第1章　绪论1

1.2　固体能级与能带2

1.3 自发跃迁与受激跃迁：光的产生3

1.4　二极管激光器中载流子的横向限制：双异质结构4

1.5　用于二极管激光器的半导体材料6

1.6　外延生长技术9

1.7 实际激光器的电流、载流子和光子的侧向限制11

习题17

第2章　关于二极管激光器的现象学方法19

2.1 引言19

2.2　有源区内载流子的产生与复合19

2.3 自发光子的产生与发光二极管21

2.4　激光器腔体内光子的产生与损耗23

2.5　激光器的阈值增益或稳态增益25

2.6.1　基本的P-I特性27

2.6 阈值电流和输出功率与电流的关系27

2.6.2　激光器驱动电流对镜面反射率和腔长的影响29

2.7　弛豫谐振与频率响应32

2.8　实际二极管激光器的特性测试35

2.8.1 共面激光器的内部参数：αi，ηi和g与J的关系35

2.8.2 VCSEL的内部参数：ηi和g与J，αi和αm的关系37

2.8.3　效率与热流37

2.8.4　温度对驱动电流的影响38

2.8.5　导数分析39

习题41

第3章　二极管激光器的镜面与谐振44

3.1 引言44

3.2　散射理论45

3.3　某些常用元素的S矩阵和T矩阵48

3.3.1　电介质界面48

3.3.2　无不连续点的传输线49

3.3.3 电介质节段和Fabry-Perot标准具51

3.3.4　Fabry Perot激光器53

3.4　三镜面和四镜面激光腔54

3.4.1　三镜面激光器54

3.4.2　四镜面激光器57

3.5　光栅59

3.5.1 引言59

3.5.2　传输矩阵理论60

3.5.3　光栅的有效镜面模型64

3.6　DBR激光器66

3.6.1 引言66

3.6.2　阈值增益和输出功率66

3.6.3　模式选择和调谐性69

3.7 DFB激光器71

3.8　单频激光器的模式压缩比74

习题75

第4章　增益与电流的关系78

4.1 引言78

4.2　辐射跃迁78

4.2.1　基础定义与基本关系78

4.2.2　辐射跃迁速率的基本描述81

4.2.3　跃迁矩阵元83

4.2.4　降低的态密度86

4.2.5　与爱因斯坦受激速率常数的对应关系88

4.3　光增益88

4.3.1　增益的常规表示88

4.3.2　线形展宽91

4.3.3　增益谱的一般特征94

4.3.4　多体效应95

4.4 自发发射97

4.4.1　单模自发发射速率97

4.4.2　总的自发发射速率98

4.4.3 自发发射因子100

4.5.1　缺陷与杂质复合101

4.5　非辐射跃迁101

4.5.2　表面与界面复合103

4.5.3　俄歇复合107

4.6　有源材料及其特性111

4.6.1　应变材料与掺杂材料112

4.6.2　常用有源材料的增益谱113

4.6.3　增益与载流子密度的关系115

4.6.4 自发发射谱和电流与载流子密度的关系118

4.6.5　增益与电流密度的关系120

4.6.6　增益的实验曲线122

4.6.7　阱宽度、掺杂与温度的影响123

习题126

5.1 引言130

5.2　第2章回顾130

第5章　动态效应130

5.2.1 速率方程131

5.2.2　稳态解132

5.2.3　稳态多模解136

5.3　速率方程的微分分析137

5.3.1　小信号频率响应141

5.3.2　小信号瞬态响应144

5.3.3　小信号FM响应或频率啁啾147

5.4　大信号分析150

5.4.1 大信号调制：多模速率方程的数值分析151

5.4.2　启动时延153

5.4.3　大信号频率啁啾155

5.5　相对强度噪声和线宽156

5.5.1 RIN的常规定义和频谱密度函数156

5.5.2 Schawlow-Townes线宽158

5.5.3 Langevin法160

5.5.4 Langevin噪声谱密度与RIN161

5.5.5　频率噪声165

5.5.6　线宽166

5.6　载流子输运效应169

5.7　反馈效应173

5.7.1　静态特性173

5.7.2　动态特性与线宽177

习题181

第6章　微扰与耦合模理论183

6.1 引言183

6.2　微扰理论184

6.2.1　均匀介电微扰184

6.2.2　量子阱激光器的模式增益与折射率微扰的范例184

6.3　耦合模理论：两模式耦合185

6.3.1　反向耦合：光栅186

6.3.2　DFB激光器193

6.3.3 同向耦合：方向耦合器196

6.3.4 四端口方向耦合器200

6.3.5 同向耦合滤波器与电光开关202

6.4　模式激发206

6.5　结论208

习题208

第7章　介质波导210

7.1 引言210

7.2　入射到平面介质边界上的平面波211

7.3　介质波导的分析方法213

7.3.1 驻波法213

7.3.2　横向谐振215

7.3.3　截止和“泄漏”或“准模式”216

7.3.4　辐射模217

7.3.5　多层波导219

7.3.6　用于任意波导形状的WKB方法219

7.3.7　用于沟道波导的有效折射率法简介224

7.3.8　波动方程的数值求解225

7.4　导模功率与有效宽度227

7.5　名义上导模的辐射损耗230

习题234

第8章　集成光路237

8.1 引言237

8.2　采用串联光栅反射器的可调谐激光器和激光器-调制器237

8.2.1　两段和三段DBR激光器238

8.2.2　两段器件范例240

8.2.3　更宽调谐范围的四段DBR243

8.2.4　激光器调制器或放大器246

8.2.5　激光器-调制器范例252

8.3　利用方向耦合器实现输出耦合和信号合成的PIC255

8.3.1　采用方向耦合器输出分接的环形激光器256

8.3.2　集成外差接收机258

8.4　采用同向耦合滤波器的PIC262

8.5.1 引言266

8.5　分析PIC的数值方法266

8.5.2　隐性的有限差分光束传播法267

8.5.3　利用光束传播法计算z不变波导的传播常数269

8.5.4　利用光束传播法计算本征模形状270

习题270

附录1 固态物理基础回顾273

A1.1　量子力学入门273

A1.1.1 引言273

A1.1.2　量子阱与束缚电子274

A1.2　固态物理基础278

A1.2.1 晶体中的电子和能带278

A1.2.2　有效质量281

A1.2.3　利用自由电子（有效质量）理论分析态密度282

附录2　费米能量和载流子密度与泄漏之间的关系287

A2.1　常规关系287

A2.2　体材料的近似289

A2.3　穿越异质势垒的载流子泄漏294

A2.4 内部量子效率297

A3.1 引言299

A3.2　三层平板介质波导299

附录3　简单双异质结构中的光导波引论299

A3.2.1　对称平板情况300

A3.2.2　常规非对称平板情况301

A3.2.3　横向限制因子Гx302

A3.3　二维波导的有效折射率法302

A3.4　远场305

A4.1　光腔体模式308

附录4　光模式密度、黑体辐射和自发发射因子308

A4.2　黑体辐射309

A4.3 自发发射因子βsp309

附录5　模式增益、模式损耗与限制因子311

A5.1 引言311

A5.2　模式增益的经典定义311

A5.3　模式增益和限制因子313

A5.5.1　轴向限制因子315

A5.4　内部模式损耗315

A5.5　有源／无源节段腔体的更精确分析315

A5.5.2　阈值条件和微分效率317

A5.6　色散对模式增益的影响319

附录6　关于增益与自发发射的爱因斯坦方法320

A6.1　引言320

A6.2　爱因斯坦系数A与B322

A6.3　热平衡323

A6.4　增益计算324

A6.5 自发发射速率计算327

附录7　周期结构与传输矩阵329

A7.1　引言329

A7.2　本征值和本征矢量329

A7.3　应用于布拉格条件下的介质堆垛330

A7.4　应用于远离布拉格条件下的介质堆垛332

A7.5.1　傅里叶极限334

A7.5　与近似方法的对应关系334

A7.5.2　耦合模极限335

A7.6　布拉格条件下通用的反射率336

习题337

附录8　半导体中的电子态340

A8.1　引言340

A8.2　电子态的一般描述340

A8.3　Bloch函数和动量矩阵元341

A8.4　量子阱中的能带结构343

A8.4.1 导带343

A8.4.2　价带344

A8.4.3　应变量子阱349

附录9　费米黄金法则353

A9.1 引言353

A9.2　跃迁速率的半经典推导353

A9.2.1　情形Ⅰ：矩阵元与终态密度的乘积为常数355

A9.2.2　情形Ⅱ：矩阵元与终态密度的乘积为delta函数356

A9.2.3　情形Ⅲ：矩阵元与终态密度的乘积为Lorentzian型357

习题358

附录10　跃迁矩阵元360

A10.1　一般推导360

A10.2　与偏振有关的效应362

A10.3　量子阱中包络函数的引入364

附录11　应变带隙366

A11.1　应力和应变的一般定义366

A11.2　应变和带隙的关系368

A11.3　应变与能带结构的关系372

附录12　俄歇过程的阈值能量373

A12.1 CCCH过程373

A12.2 CHHS和CHHL过程374

A13.1 Langevin噪声源的特性375

A13.1.1　相关函数和谱密度375

附录13　Langevin噪声375

A13.1.2　Langevin噪声相关强度的计算377

A13.2　特殊的Langevin噪声相关377

A13.2.1　光子密度和载流子密度Langevin噪声相关377

A13.2.2　光子密度和输出功率Langevin噪声相关378

A13.2.3　光子密度和相位Langevin噪声相关379

A13.3　噪声谱密度计算380

A13.3.1　光子噪声谱密度380

A13.3.2　输出功率噪声谱密度381

A13.3.3　载流子噪声谱密度382

习题383

附录14　微扰公式的推导细节384

附录15　电光效应386

附录16　有限差分问题的求解391

A16.1　矩阵形式391

A16.2　一维介质平板示例392

A17.1　一般方法394

附录17　激光器腔体的优化设计394

A17.2　特殊情形395

A17.2.1　情形A1：固定L（αia＝αip）来优化La395

A17.2.2　情形A2：固定L（αia≠αip）来优化La396

A17.2.3 情形B1：固定Lp（Lp＝0）来优化La396

A17.2.4 情形B2：固定Lp（Lp≠0）来优化La397

A17.2.5 情形C：固定Lp/La来优化La398

A17.2.6　情形D：固定La和Lp来优化Nw（共面激光器）398

A17.2.7　情形E：固定L来优化Nw(VCSEL)399

A17.2.8　情形A～E的总结399

A17.3　增益曲线上的最佳工作点400

A17.4　增益曲线上偏移的最佳工作点402

A17.5　其他设计考虑403

A17.5.1　高速设计403

A17.5.2　热效应404

译者跋405